Die HPI Schul-Cloud – Eine cloudbasierte Lerninfrastruktur für deutsche Schulen

Wie kann eine Cloud für die Schule funktionieren? Jan Renz vom Hasso-Plattner-Institut legt bei uns im Blog die Idee hinter der HPI Schul-Cloud dar.

WolkeLernen in der Wolke. Bild: [https://unsplash.com/photos/_uAVHAMjGYA eberhard grossgasteiger]

Nächstes Jahr feiert das Web seinen 30. Geburtstag. Und noch immer wird in deutschen Klassenräumen vor allem mit Tafel, Papier und Stift unterrichtet. Verlassen die Kinder dann die Klassenräume, verbringen sie ihre Freizeit in einer gänzlich anderen Welt – einer digitalen Welt. Verlassen sie die Schule, so müssen sie sich in einer zunehmend digitalisierten Arbeitswelt zurechtfinden, in der Excel, schnelles Schreiben und das Nutzen von modernen Technologien eine entscheidende Rolle spielen. Wenn digitale Bildung aber so wichtig ist, warum beginnt sie nicht dort, wo jede Art von Bildung beginnt? An dem Ort, an dem wir Lesen und Schreiben und Rechnen lernen? Sollte die Schule nicht eine Generation von Digital Natives schulen, um einen bewussteren Umgang mit Technologie zu fördern und gleichzeitig neue Potenziale und Möglichkeiten zu nutzen, die durch traditionelle Lernmittel nicht abgedeckt sind? Adaptives und personalisiertes Lernen ist mehr als nur ein Stichwort. Es ist eine Chance. Digitale Bildung erlaubt Technologie, die sich auf die Stärken und Schwächen der Schüler(innen) einstellt und ihnen hilft, sich mit der Abgabe jeder Hausaufgabe und jeder Interaktion mit einem Lernsystem individuell in ihren Fähigkeiten einzuschätzen und gezielt an Problemen zu arbeiten. Auch digitale Medienkompetenz kann gestärkt werden: Schüler(innen) können in Teams zusammen Präsentationen erstellen oder ihre Aufgaben gegenseitig korrigieren. Oder wir drehen den Klassenraum um und nutzen die Zeit im Klassenzimmer dank Methoden wie dem Flipped Classroom für kollaborative und interaktive Elemente statt für unidirektionale Wissensvermittlung. Vieles ist möglich. Unterstützt durch Technologie. Durch das Internet und die Cloud. Warum also warten?

Die HPI Schul-Cloud ist ein Projekt, das Schulen die Möglichkeiten der digitalen Bildung eröffnen möchte. Sie ist ein Pilotprojekt des Hasso-Plattner-Instituts in Zusammenarbeit mit dem nationalen Excellence-Schulnetzwerk MINT-EC, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung. Das Forschungsprojekt am Hasso-Plattner-Institut steht unter der Leitfrage: Was sind die Gelingensbedingungen für den erfolgreichen Einsatz von cloudbasierten Infrastrukturen in deutschen Schulen. Wie kann digital gestützte Bildung universell verfügbar sein?

Dabei, so lernt man schnell, ist der Zugriff auf digitale Bildung längst kein Problem der Technologie, sondern ein Problem der Rahmenbedingungen. Wie lassen sich Lösungen im Datenschutz schaffen, die keine Schüleridentitäten preisgeben? Was ist mit der Geschwindigkeit des Internets und der Breitband-Anbindungen der Schulen? Wie kann die Integration bestehender Systeme (vor allem) über die Grenzen von Bundesländern hinweg vonstattengehen? Silos müssen abgebaut, Zugangsmöglichkeiten zu existierenden Internetdiensten und Plattform stattdessen neu geschaffen werden.

Lehrende müssen für die Cloud fitgemacht werden. Das wird umso einfacher, je näher eine solche an den Bedürfnissen der Nutzer entwickelt wird. All dies sind Fragen, auf die wir mit einem interdisziplinären Team aus Entwicklern, Pädagogen, Wirtschaftswissenschaftlern und Juristen Antworten finden und in der HPI Schul-Cloud erproben und evaluieren. Die Nutzer sollen bei jedem Schritt dieser Entwicklung im Vordergrund stehen. Eine funktionierende Lösung kann, so sind wir überzeugt, nur in kontinuierlicher Praxiserprobung entstehen. Jedes neue Feature wird dabei in einem koiinnovativen Prozess gestaltet und in unseren Pilotschulen getestet. Seit im Jahr 2017 mit 27 Schulen in die Pilotierung gestartet wurde,  wächst die Anzahl der Schulen stetig. Dabei skaliert in der jetzigen Rollout-Phase nicht nur die Anzahl der Schulen, auch die Adaption innerhalb der Schule wird gesteigert. Begrenzende Faktoren sind dabei vornehmlich verfügbare Endgeräte und die Internetanbindung. Unsere Schulen liefern uns sowohl auf Lehrer – als auch auf Schülerseite - fortlaufend wertvolles Feedback, was für die nutzerorientierte Entwicklung unerlässlich ist. 

Warum digitale Bildung eine Cloud braucht

Um den Mehrwert der HPI Schul-Cloud gegenüber klassischen Lernmanagement-Systemen wie Moodle zu verstehen, müssen wir die Cloud im Kontext weiterer Onlinedienste betrachten: Dem Portal, der Plattform und der Cloud selbst. Ein Portal ist dabei ein Angebot, welches Zugriff auf verschiedene Angebote bietet. Meist ist dort maximal eine einheitliche Loginfunktionalität gewährleistet, eine weitergehende Integration der Angebote ist nicht gegeben. Eine Online Plattform bietet dagegen eine größere Auswahl an Interaktivität und Zugriff auf Inhalte, setzt aber hohe Anforderungen an die Kompatibilität der Inhalte mit der Plattform voraus. Es müssen also im Falle einer Lern-Plattform spezifische Dienste und Inhalte für die Plattform entwickelt werden. So lange ich also in der geschlossenen Welt der Plattform bleibe ist alles gut, in einer vernetzten heterogenen Welt ist dieser Ansatz aber nicht praxisgerecht.

Im Gegensatz dazu kann die HPI Schul-Cloud neben den normalen Funktionen eines Lernmanagement-Systems als “Cloud” Dienste und Inhalte verschiedenster Anbieter zusammenführen. Damit handelt es sich also nicht um eine Cloud im Sinne eines reinen Speichermediums. Der Cloudbegriff wird ausgedehnt, um die Inhalte von Portalen und die Funktionen der Plattformen ihrer Partner einzubinden. Dafür werden spezifisch für jeden Partner Schnittstellen (APIs) geschaffen oder sie werden über Standardschnittstellen wie LTI an die Cloud gekoppelt. Jeder kann und jeder soll mitmachen, um mit seinen Diensten und Inhalten in die HPI Schul-Cloud eingebunden zu werden.

Jedes dieser Angebote und Dienste erfüllt dabei eine Aufgabe und kann isoliert in seinem Container laufen, sodass Programmiersprache und Datenbank und selbst Betriebssystem und Server frei wählbar sind. Ein Microservice kann zudem ausfallen oder gewartet werden, ohne die Funktionalitäten der restlichen Microservices zu beinträchtigen. Da es sich bei der Schul-Cloud weiterhin um ein Open Source Projekt handelt, kann im Rahmen der bestehenden flexiblen Architektur eine Anpassung an die Anforderungen verschiedener Länder ermöglicht werden. Wie es zum Beispiel bei der Niedersächsischen Bildungscloud der Fall ist, bei der schulübergreifende Kollaboration und Kommunikation im Focus stehen und die auf der Architektur der HPI Schul-Cloud basiert.

Die Cloud von überall verfügbar

Digital gestützte Bildung soll weder an einen Zeitpunkt noch einen Lernort gebunden sein. Sie soll auf allen Geräten, einschließlich der Geräte der Schüler(innen) funktionieren und damit den Zugriff auf eine Vielzahl an Lernressourcen ermöglichen. Alternativ kann der flächendeckende Einsatz von Tablets und anderen Endgeräten im Unterricht, die zeitlichen und räumlichen Limitationen von traditionellen Computerräumen verringern.

Infografik RenzRessourcen werden im Lokalen Netzwerk verteilt. Bild: [https://blog.schul-cloud.org/schulen-digitalisierung-langsames-internet-langsames-arbeiten/ Jan Renz]

Nur was passiert, wenn das Internet wegbricht? Oder so quälend langsam ist, dass Schüler(innen) sich nicht einmal ein Video ansehen können? Die Internetanbindung deutscher Schulen ist noch beschämend. Doch selbst gut angebundene Schulen werden Probleme bekommen, wenn zur ersten Stunde alle Klassen parallel die Tablets aus der Schultasche zücken, wenn die Verfügbarkeit eines digitalen Endgerätes so selbstverständlich ist wie die eines Stiftes.  Ein Cloudsystem kann hier keine Lösung für flächendeckendes Breitband liefern, aber wie wäre zum Beispiel die Idee alle Videos vorzuladen und die gleiche Lernressource mit allen weiteren Nutzern im System zu teilen? Und das ohne zusätzliche Rechner in die Schule zu stellen die gewartet werden müssen. Die Computer innerhalb einer Klasse können dann einen Verbund bilden und Ressourcen jeglicher Art für die Mitschüler(innen) zur Verfügung stellen und diese im lokalen Netzwerk verteilen. Wer zuerst kommt, lädt zuerst. Unter der Annahme, dass in einer Schulklasse 30 Schüler(innen) sind, kann die Internetanbindung also um bis zu Faktor 30 entlastet werden. 

Und auch für Netzausfälle wird die HPI Schul-Cloud in Zukunft vorsorgen. So unterscheidet sie in ihrem neuesten Prototypen zwischen einem Network-First-Modus und einem Offline-First-Modus. Im Ersten wird immer erst versucht die Inhalte aus dem Internet vorzuladen, nur wenn dies nicht gelingt, wird auf die bereits gespeicherten Inhalte zurückgegriffen. Im zweiten Modus werden lokale Inhalte angezeigt, während im Hintergrund versucht wird aktuelle Inhalte (vor allem für häufig aufgerufene Seiten) nachzuladen, welche die Cloud automatisch anzeigt, sobald der Ladevorgang beendet ist. Eine Meldung zeigt zudem an, ob der angezeigte Inhalt veraltet ist. Zudem erlauben native Anwendungen für Android und iOS (Apple) das Arbeiten ohne Internet. Die Cloud schwebt also nicht nur, sie passt auch die in Hosentasche.

Infografik Renz IIAuch für Netzausfälle wird vorgesorgt. Bild: [https://blog.schul-cloud.org/oh-schreck-oh-schreck-das-netz-ist-weg-und-keiner-hat-es-bemerkt/ Jan Renz]

 

Datenschutz & personalisiertes Lernen

Jede(r) Schüler(in) hat ein Recht darauf, dass mit seinen Daten verantwortungsvoll und sparsam umgegangen wird. Die Diskussion um die Datenschutzgrundverordnung hat diese Rechte auch einem größeren Publikum präsent gemacht.

Wie soll aber in unserer digitalen Welt jeder Lerninhalt von überall aus zugreifbar sein? Was passiert mit den Daten? Wie werden sie geschützt? Werden Schüler(innen) dabei eingeschränkt? Für zeitgemäßes digitales Lernen werden personenbezogenen und personenbeziehbare Daten benötigt: Für Interaktivität, für das Speichern von Lernständen, für Kollaboration, für die Möglichkeit des gemeinsamen Feedbacks! Inhalte, die mehr sind als digitale Repliken analoger Konzepte,  müssen sich individualisiert auf die Stärken und Schwächen der Schüler(innen) abstimmen, und können dem Lehrer so Auskunft über den Lernfortschritt geben. Schüler(innen)  lernen sich besser einzuschätzen. Sie erfahren sofort nach der Bearbeitung, ob eine Mathelösung falsch oder richtig ist und können durch das konstante Feedback ihre Lernpfade anpassen oder anpassen lassen.

Gleichzeitig soll nicht jeder Inhalteanbieter wissen, mit welchen Schüler(innen) sie es zu tun haben, denn das entspricht dem Prinzip der Datensparsamkeit.

FenceAuch der Datenschutz spielt natürlich eine Rolle. [Bild: https://unsplash.com/photos/Hd80e36qKmY Namcha ph]

Die  HPI Schul-Cloud verwendet daher eine eigene Pseudonymisierungslösung: Eine Nutzeridentität kann über die Möglichkeiten des Single-Sign-Ons auf alle angeschlossenen Systeme und Lernprogramme zugreifen. Um die Anbieter mit den Schüler(inne)n zu verknüpfen, weist die Cloud dabei jedem Pärchen aus Nutzer-ID und der dazugehörigen Angebots-ID im System eine eigene Kennzeichnung zu. Dies reicht aus, um die Sicherheit der Daten zu gewährleisten ohne die Daten zu isolieren oder wegzusperren und dadurch die Vorteile des personalisierten Lernens zu beschränken – denn personalisiertes Lernen und die verbundene Vielfalt an Medien bleiben Hauptvorteile des Wechsels vom Schulbuch in die Cloud.

 

Kollaboration

Partnerarbeiten oder Gruppenarbeiten zählen zu den grundlegenden Unterrichtswerkzeugen eines jeden Lehrenden. Sie sind auch im digitalen Unterricht nicht wegzudenken, und sollen durch die digitalen Werkzeuge der HPI Schul-Cloud noch weiter gefördert werden. Dazu sind eine wachsende Anzahl an Kollaborationstools wie das digitale Whiteboard (neXboard) in die HPI Schul-Cloud eingebunden. Zu den neuesten Erweiterungen zählt zudem Libre Office. Diese Webtools ermöglichen es Dateien zeitgleich oder auch asynchron zu bearbeiten. Ein einfaches Hineinziehen in den Uploadbereich der HPI Schul-Cloud genügt, um die Datei über einen Link für Freunde und Gruppenmitglieder freizugeben. Die jeweiligen Änderungen und Ergänzungen sind für alle Betrachter gleichzeitig sichtbar und werden farblich entsprechend markiert. Die in der Cloud angezeigte Instanz der Dienste ist dabei stets auf den eigenen Server der HPI Schul-Cloud gehostet. Damit bleiben die Daten der Schüler(innen) geschützt. Weitere Möglichkeiten der Kollaboration sind QR-Codes für die direkte Interaktion im Klassenzimmer, schulübergreifende Kurse oder ein Messenger, mit dem Schüler(innen) sich gegenseitig abstimmen können oder Lehrende am Nachmittag Fragen zu den Hausaufgaben stellen können. Weitere Kollaborationstools sind in Planung.
Glühbirne Das HPI Schul-Cloud will einen transparent und offen Zugang für Bildungsinhalte schaffen. [Bild: https://unsplash.com/photos/N7FtpkC_P7o Sharon Pittaway]

Ein Platz für Lerninhalte & Kooperationen zwischen Ländern, Verlagen und anderen Anbietern

Deutschland hat ein föderales Schulsystem: Jedes Bundesland hat seine eigenen Regeln für die Zulassung von Lerninhalten. Jedes Bundesland hat seine eigenen Abläufe, wie Budgets verteilt werden. Und jedes Bundesland hat seine eigenen Lehrpläne und die darauf zugeschnittenen Schulbücher. Aber was passiert, wenn sich all diese Regeln aus einer analogen Welt im Zeitalter des Internets behaupten müssen? Soll jedes Bundesland eine eigene digitale Unterrichtsplattform entwickeln? Und zusätzlich eine eigene Lösung entwickeln wie Lernmaterialien eingekauft werden? Wer lizenziert diese Lehrmaterialien? Und woher kommt der Content, der am Ende im Unterricht eingesetzt wird? Die HPI Schul-Cloud möchte diese Fragen vorwegnehmen und einen LernStore realisieren, der einen offenen und transparenten Zugang zu Bildungsinhalten schafft. Dabei erwarten wir ein synergetisches Miteinander von kommerziellen und freien Inhalten, die der Verbreitung von digitalen Lernmedien auf beiden Seiten weiterhilft. Auch die Frage wie man das Erstellen und Teilen von Inhalten durch Lehrende fördern kann, wird durch einen neuen Editor und begleitende Forschung adressiert. Dieses Thema wird momentan durch ein Team von 8 Studierenden im Rahmen ihres Abschlussprojektes bearbeitet.